Слияние концентрации ионов поляризация между Сочетавший ионообменные мембраны для блокирования распространения радиоволн в поляризационных зоны
Summary
Протокол к новой концентрации ионов поляризация (ICP) платформу, которая может остановить распространение зоны ICP, независимо от условий эксплуатации описана. Эта уникальная способность платформы заключается в использовании слияния ионную истощение и обогащение, которые являются двумя полярностей ПМС явления.
Abstract
Концентрация ионов поляризация (ИСП) явление является одним из наиболее преобладающих методов предконцентрат низкой плотности залегания биологических образцов. ICP индуцирует неинвазивный область для заряженных биомолекул (т.е. ион Истощение зона), и цели могут быть preconcentrated на этой области границы. Несмотря на высокие концентрирование выступления с ПМС, то трудно найти условий эксплуатации, не являющихся распространяющихся зон истощения ионов. Для преодоления этого узкого рабочего окна, недавно мы разработали новую платформу для spatiotemporally фиксированной предконцентрации. В отличие от предшествующих способов , которые используют только истощение ионов, эта платформа также использует противоположную полярность ПМС (т.е. ионов обогащения) , чтобы остановить распространение зоны истощения ионов. Противостоя зону обогащения с зоной истощения, обе зоны сливаются вместе и останавливаются. В этой статье мы описываем подробный экспериментальный протокол для построения этого spatiotemporally определенный ICP Макс.высотаОРМ и характеризуют динамику концентрирование новой платформы, сравнивая их с таковыми из обычного устройства. Качественные профили концентрации ионов и ответы текущего времени успешно захватить различную динамику между объединенном ПМС и автономных ПМС. В отличие от обычных тот, который может исправить положение концентрирование только на ~ 5 V, новая платформа может произвести целевой конденсированные пробку в определенном месте в широком диапазоне рабочих условий: напряжение (В) 0,5-100, ионной силы (1-100 мМ), и рН (3.7-10.3).
Introduction
Концентрации ионов поляризация (ИСП) относится к явлению , которое происходит в процессе обогащения ионов и истощения ионов на полупроницаемую мембрану, что приводит к дополнительному падению потенциала с градиентов концентраций ионов 1, 2. Этот градиент концентрации является линейным, и оно становится более крутым, как более высокое напряжение не приложено (омическом режиме) до концентрации ионов на мембране стремится к нулю (режим ограничения). При этом ограниченном диффузией состоянии, градиент (и соответствующий поток ионов), как известно, максимизировать / насыщенный 1. Помимо этого традиционного понимания, когда напряжение (или ток) дополнительно увеличивается, наблюдается ток сверхпредельного, с плоскими зонами истощения и очень резких градиентов концентрации на границе зоны 1, 3. Плоская зона имеет очень низкую концентрацию ионов, но с поверхностной проводимостью, электро-osmoti с потоком (EOF), и / или электро-осмотического неустойчивость способствуют ионного потока и индукции сверхпредельного ток 3, 4, 5. Интересно отметить , что плоская зона истощение служит электростатический барьер, который отфильтровывает 6, 7, 8, 9 и / или предконцентраты целей 10, 11. Поскольку существует недостаточное количество ионов для скрининга поверхностных зарядов заряженных частиц (для удовлетворения электронейтральности), частицы не могут проходить через эту зону истощения и, следовательно, выстраиваются в очередь на ее границе. Этот нелинейный эффект ПМС является общим явлением в различных типах мембран 10, 11, 12, 13,> 14 и геометрические формы 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; Именно поэтому исследователи смогли разработать различные типы фильтрации 6, 7, 8, 9 и концентрирование 10, 11 устройств с использованием нелинейного ВЧД.
Даже при такой высокой гибкостью и прочностью, он по-прежнему практической задачей для уточнения условий эксплуатации для нелинейных устройств ПМС. Нелинейный режим ПМС быстро удаляет катионы через катионообменную мембрану, что приводит к перемещению анионов, движущихся по направлению к аноду. КакРезультат, плоская зона обеднения распространяется быстрее, что напоминает о распространении 22 ударной. Мани и др. называется эта динамика деионизации (или истощение) шок 23. Для целей концентрирования в назначенном определения положения, предотвращая расширение зоны истощения ионов необходимо, например, путем применения ВФ или приводимые в действие давлением потока от зоны расширения 24. Zangle и др. 22 выяснены критерии распространения ПМС в одномерной модели, и она сильно зависит от электрофоретической подвижности 17, ионной силы 18, рН 25, и так далее. Это указывает на то, что соответствующие рабочие условия будут изменены в соответствии с условиями образца.
Здесь мы представляем детальное проектирование и экспериментальные протоколы для романа МСП платформы, предконцентраты цели в рамках spatiotempв устной форме определяется положение 26. Расширение зоны истощения ионов блокируется зону обогащения ионов, в результате чего стационарный концентрирование пробку в назначенное положение, независимо от времени работы, приложенного напряжения, ионной силы и рН. Этот подробный протокол видео предназначено, чтобы показать самый простой способ интеграции обмена мембран катионов в микрожидкостных устройств и продемонстрировать производительность концентрирование новой платформы МСП по сравнению с обычной.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы описали протокол изготовление и рабочие характеристики spatiotemporally определенной предконцентратор в диапазоне от приложенного напряжения (V) 0,5-100, ионная сила (1-100 мМ) и рН (3.7-10.3), достигая в 10000 раз концентрирование красителей и белка в течение 10 мин. Как как и предыдущие устройства ICP, про…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the internal fund of the Korea Institute of Science and Technology (2E26180) and by the Next Generation Biomedical Device Platform program, funded by the National Research Foundation of Korea (NRF-2015M3A9E202888).
Materials
| Sylgard 184 Silicone Elastomer kit | Dow Corning | ||
| Trichlorosilane | Sigma Aldrich | 175552 | Highly toxic |
| Nafion perfluorinated resin, 20 wt% | Sigma Aldrich | 527122 | |
| Sodium chloride | Sigma Aldrich | 71394 | |
| Potassium chloride | Sigma Aldrich | 60121 | |
| Alexa Fluor 488 carboxylic acid, succinimidyl ester | Invitrogen | A20000 | |
| Isothiocyanate-conjugated albumin | Sigma Aldrich | A9771 | |
| Phosphate buffer saline, 1X | Wengene | LB004-02 | |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | P1379 | |
| Epifluorescence microscope | Olympus | IX-71 | |
| Charged-coupled device camera | Hamamtsu Co. | ImageEM X2 | |
| Source measurement unit | Keithley Instruments | 2635A | |
| Covance-MP | Femto Science |
References
- Probstein, R. F. . Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , (2003).
- Strathmann, H. . Ion-Exchange Membrane Separation Processes. , (2004).
- Dydek, E. V., et al. Overlimiting Current in a Microchannel. Phys. Rev. Lett. 107 (11), 118301 (2011).
- Kwak, R., Pham, V. S., Lim, K. M., Han, J. Y. Shear flow of an electrically charged fluid by ion concentration polarization: scaling laws for electroconvective vortices. Phys. Rev. Lett. 110 (11), 114501 (2013).
- Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Phys. Rev. E. 62 (2), 2238-2251 (2000).
- Kwak, R., Kim, S., Han, J. Continuous-flow biomolecule and cell concentrator by ion concentration polarization. Anal. Chem. 83 (19), 7348-7355 (2011).
- Jeon, H., Lee, H., Kang, K. H., Lim, G. Ion concentration polarization-based continuous separation device using electrical repulsion in the depletion region. Sci.Rep. 3, 3483 (2013).
- Kim, S. J., Ko, S. H., Kang, K. H., Han, J. Direct seawater desalination by ion concentration polarization. Nat. Nanotechnol. 5 (4), 297-301 (2010).
- MacDonald, B. D., Gong, M. M., Zhang, P., Sinton, D. Out-of-plane ion concentration polarizationfor scalable water desalination. Lab Chip. 14 (4), 681-685 (2014).
- Schoch, R. B., Han, J. Y., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Rev.Mod. Phys. 80 (3), 839-883 (2008).
- Kim, S. J., Song, Y. A., Han, J. Nanofluidic concentration devices for biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications. Chem. Soc. Rev. 39 (3), 912-922 (2010).
- Mai, J. Y., Miller, H., Hatch, A. V. Spatiotemporal mapping of concentration polarization Induced pH changes at nanoconstrictions. ACS Nano. 6 (11), 10206-10215 (2012).
- Kim, B., et al. Tunable ionic transport for a triangular nanochannel in a polymeric nanofludic system. ACS Nano. 7 (1), 740-747 (2013).
- Mangano Syed, A., Mao, L., Han J, P., Song, Y. -. A. Creating sub-50 nm nanofluidic junctions in a PDMS microchip via self-assembly process of colloidal silica beads for electrokinetic concentration of biomolecules. Lab Chip. 14, 4455-4460 (2014).
- Wang, Y. C., Stevens, A. L., Han, J. Y. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter. Anal. Chem. 77 (14), 4293-4299 (2005).
- Lee, J. H., Cosgrove, B. D., Lauffenburger, D. A., Han, J. Microfludic concentration-enhanced cellular kinase activity assay. J. Am. Chem. Soc. 131 (30), 10340-10341 (2009).
- Cheow, L. F., Han, J. Y. Continuous signal enhancement for sensitive aptamer affinity probe electrophoresis assay using electrokinetic concentration. Anal. Chem. 83 (18), 7086-7093 (2011).
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12 (21), 4472-4482 (2012).
- Gong, M. M., Nosrati, R., Gabriel, M. C. S., Zini, M., Sinton, D. Direct DNA analysis with paper-based ion concentration polarization. J. Am. Chem. Soc. 137 (43), 13913-13919 (2015).
- Hong, S., Kwak, R., Kim, W. Paper-based flow fractionation system applicable to preconcentration and field-flow separation. Anal. Chem. 88 (3), 1682-1687 (2016).
- Han, S. I., Hwang, K. S., Kwak, R., Lee, J. H. Microfluidic paper-based biomolecule preconcentrator based on ion concentration polarization. Lab Chip. 16, 2219-2227 (2016).
- Zangle, T. A., Mani, A., Santiago, J. G. Theory and experiments of concentration polarization and ion focusing at microchannel and nanochannel interfaces. Chem. Soc. Rev. 39 (3), 1014-1035 (2010).
- Mani, A., Bazant, M. Z. Deionization shocks in microstructures. Phys. Rev. E. 84, 061504 (2011).
- Slouka, Z., Senapati, S., Chang, H. C. Microfluidic systems with ion-selective membranes. Annu. Rev.Anal. Chem. 7, 317-335 (2014).
- Kirby, B. J., Hasselbrink, E. F. Zeta potential of microfluidic substrates: 1. Theory, experimental techniques, and effects on separations. Electrophoresis. 25 (2), 187-202 (2004).
- Kwak, R., Kang, J. Y., Kim, T. S. Spatiotemporally defining biomolecule preconcentration by merging ion concentration polarization. Anal. Chem. 88 (1), 988-996 (2016).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal. Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Campbell, D. J., et al. Replication and compression of surface structures with polydimethylsiloxane elastomer. J. Chem. Educ. 76 (4), 537-541 (1999).
- Lee, J. H., Song, Y. A., Han, J. Y. Multiplexed proteomic sample preconcentration device using surface-patterned ion-selective membrane. Lab Chip. 8 (4), 596-601 (2008).
- Kwak, R., Guan, G., Peng, W. K., Han, J. Microscale electrodialysis: concentration profiling and vortex visualization. Desalination. 308, 138-146 (2013).
- Chambers, R. D., Santiago, J. G. Imaging and quantification of isotachophoresis zones using nonfocusing fluorescent tracers. Anal. Chem. 81, 3022-3028 (2009).
- Minerick, A. R., Ostafin, A. E., Chang, H. C. Electrokinetic transport of red blood cells in microcapillaries. Electrophoresis. 23 (14), 2165-2173 (2002).
- Phan, D. -. T., Shaegh, S. A. M., Yang, C., Nguyen, N. -. T. Sample concentration in a microfluidic paper-based analytical device using ion concentration polarization. Sens. Actuators B. 222, 735-740 (2016).
- Rubinstein, S. M. Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability. Phys. Rev. Lett. 101, 236101 (2008).
- Ouyang, W., et al. Microfluidic platform for assessment of therapeutic proteins using molecular charge modulation enhanced electrokinetic concentration assays. Anal. Chem. 88, 9669-9677 (2016).
- Cheow, L. F., Sarkar, A., Kolitz, S., Lauffenburger, D., Han, J. Detecting kinase activities from single cell lysate using concentration-enhanced mobility shift assay. Anal. Chem. 86, 7455-7462 (2014).
- Chen, C. -. H., et al. Enhancing protease activity assay in droplet-based microfluidics using a biomolecule concentrator. J. Am. Chem. Soc. 133, 10368-10371 (2011).
- Kwak, R., Pham, V. S., Kim, B., Lan, C., Han, J. Enhanced salt removal by unipolar ion conduction in ion concentration polarization desalination. Sci. Rep. 6, 25349 (2016).
